机械制造基础第二章金属切削原理与刀具

黑龙江大学机电工程学院第一节刀具的结构一、切削运动1.切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）主运动：在机床上形成切削速度并消耗大部分切削力的运动进给运动：机床上维持切削加工过程连续不断进行运动金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具2.切削要素待加工表面：工件上即将被切除的表面已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间切削过程中，工件上通常存在的3个不断变化的表面黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具切削要素包括切削用量和切削层的几何参数(1).切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量（切削深度）切削速度Vc（m/s）：刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度•外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为1000ndvwdw—工件待加工表面的直径，(mm)n—工件的转速，(r/s)•内孔车削时的切削速度计算公式为1000ndvmdm—工件已加工表面的直径，(mm)n—工件的转速，(r/s)黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具进给量f在主运动每转一转或每一行程时，刀具与工件之间沿进给动方向的相对位移单位是mm/r(用于车削、镗削等)mm/行程(用于刨削、磨削等)进给量表示进给运动的速度进给速度Vf（mm/s)每齿进给量fz(多刃刀具，mm/齿)其中：n—主运动的转速，(r/s)z—刀齿齿数Vf=n·f=n·z·fz黑龙江大学机电工程学院背吃刀量ap（切削深度）待加工表面与已加工表面之间的垂直距离(mm)单位为mm•对于外圆加工其中：dw—工件待加工表面的直径，(mm)dm—工件已加工表面的直径，(mm)•对于钻孔工作2mwpdda2mpda金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具(2).切削层参数在切削过程中，工件每转一转或刀具每转一齿，刀具主切削刃相邻两位置间的一层金属，称为切削层•切削层公称宽度aw：沿过渡表面测量的切削层尺寸aw反映了切削刃参加切削的工作长度aw=ap/sinkr•切削层公称厚度ac：在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离ac反映了切削刃单位长度上的切削负荷ac=f·sinkr黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具•切削层公称横截面积Ac：切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积Ac=ac·aw=f·sinkr·ap/sinkr=f·ap切削用量与切削层参数黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具二、刀具角度1.刀具切削部分的组成三面两刃一尖前(刀)面主后(刀)面副后(刀)面主切削刃副切削刃刀尖黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具其它各类刀具，都可以看作是车刀的演变和组合黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具2.刀具角度的参考平面•正交平面参考系•切削平面：通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面。基面：通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。正交平面：通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具3.刀具的标注角度在正交平面内测量的角度•前角γ0：前刀面与基面之间的夹角表示前刀面的倾斜程度正值、负值、零•后角α0：主后刀面与切削平面之间的夹角表示后刀面的倾斜程度一般为正值黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具在基面内测量的角度•主偏角κr：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角一般为正值•副偏角κr’：副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角一般为正值黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具在切削平面内测量的角度刃倾角λs：主切削刃与基面之间的夹角正值、负值、零黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具4.刀具的工作角度根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变刀具的工作角度（实际角度）：以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度刀具安装位置对工作角度的影响•车刀安装高度对工作角度的影响•车刀安装偏斜对工作角度的影响黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，将引起工作前角γoe和工作后角αoe的变化黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角κre和工作副偏角κre‘的变化黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具进给运动对工作角度的影响•纵向进给运动对工作角度的影响•横向进给运动对工作角度的影响车削时由于进给运动的存在，使车外圆及车螺纹的加工表面实际上是一个螺旋面黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具刀具切削部分的组成三面两刃一尖前(刀)面主后(刀)面副后(刀)面主切削刃副切削刃刀尖黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具三、刀具种类1.刀具分类•按加工方式和具体用途：车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具。•按所用材料：工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等。•按结构：整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等。•按是否标准化：标准刀具和非标准刀具等。黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具2.常用刀具简介(1)车刀在结构上分为：整体车刀焊接车刀焊接装配式车刀机械夹固刀片车刀•机夹车刀•可转位车刀黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具将硬质合金刀片用机械夹固的方法安装在刀杆上，又称“机夹重磨式”车刀黑龙江大学机电工程学院刀片为多边形，每一边都可做切削刃，用钝后只需将刀片转位，即以新的切削刃投入工作。又称“机夹不重磨式”车刀金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具(2)孔加工刀具从实体材料上加工出孔的刀具:•麻花钻切削部分：承担主要的切削工作导向部分：引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分柄部：钻头的夹持部分，用来传递扭矩（直柄、锥柄）颈部：磨柄部时的砂轮越程槽，也是钻头打标记的地方黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具•中心钻加工轴类零件的中心孔钻孔时先打中心孔，防止钻偏•深孔钻（孔深与孔径之比大于5的孔）内排屑深孔钻外排屑深孔钻喷吸钻套料钻黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具对工件上已有孔进行加工的刀具:•扩孔钻扩孔钻专门用来扩大已有孔。它比麻花钻的齿数多(Z＞3)，容屑槽较浅，无横刃，强度和刚度均较高，导向性能、切削性能较好，加工质量和生产效率比麻花钻高(a)高速钢整体式（b）镶齿套式(c)镶硬质合金可转位式黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具•铰刀用于孔的精加工，加工余量小，齿数多，又有较长的修光刃，加工精度和表面质量都很高黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具•镗刀：多用于箱体孔的粗、精加工，可分为单刃和多刃镗刀微调镗刀1-刀片2-镗杆3-导向键4-紧固螺钉5-精调螺母6-刀块黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具(3).铣刀按用途分•圆柱铣刀•端铣刀•盘形铣刀•立铣刀•键槽铣刀•角度铣刀•成形铣刀盘形齿轮铣刀黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具(4)拉刀是一种加工精度和加工效率都比较高的多齿刀具，广泛用于大批大量生产•加工各种内、外表面•按加工表面的不同分为：内拉刀外拉刀•推刀•拉刀的结构组成•拉刀参数的确定黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具圆孔拉刀的组成部分1头部2颈部3过渡锥部4前导部5校准部6后导部7尾部黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具拉削各种内外表面举例黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具(5)螺纹刀具切削法•螺纹车刀：是一种具有螺纹廓形的成形车刀•螺纹梳刀：相当于一排多齿的螺纹车刀•丝锥：加工中小尺寸内螺纹的标准刀具•板牙：加工中小尺寸外螺纹的标准刀具•螺纹铣刀：用铣削方法加工螺纹的刀具滚压法•滚丝轮•搓丝板黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具板牙黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具(6)齿轮刀具展成齿轮刀具成形齿轮刀具•插齿刀•齿轮滚刀•剃齿刀•盘形齿轮铣刀•指形齿轮铣刀插齿刀黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具第二节刀具材料一、刀具材料应具备的性能高硬度常温HRC60~62以上高耐磨性高耐热性（热稳定性）足够的强度和韧性(抗弯强度、冲击值）良好的工艺性能良好的热物理性能和耐热冲击性能黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具二、常用的刀具材料工具钢碳素工具钢：T10AT12A合金工具钢：9SiCrCrWMn高速钢（HSS）钨系：W18Cr4V钨钼系：W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2碳化物的均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，耐磨性比W18Cr4V略差。黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具二、常用的刀具材料硬质合金钨钴(YG)：YG3YG6YG8钨钴钛(YT)：YT5YT15YT30硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物微米级的粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。刀具耐用度较高速钢高几倍到几十倍。碳素钢合金钢YTYT5不连续粗加工YG8铸铁有色金属YGYT15连续粗加工，不连续精加工YG6YT30连续精加工YG3黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具三、新型刀具材料陶瓷陶瓷的主要成分是氧铝化（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）。硬度、耐磨性和热硬性均比硬质合金好。陶瓷刀片性脆，抗变强度与冲击韧性低，一般用于高硬度材料的半精加工和精加工。立方氮化硼立方氮化硼是六方氮化硼的同素异形体，硬度仅次于金刚石，立方氮化硼的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石。黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具三、新型刀具材料人造金刚石金刚石是目前已知的最硬材料，其硬度为HV10000，精车有色金属时，加工精度可达IT5，刀具耐用度通常为硬质合金的10-100倍。金刚石的耐热性较差，一般低于800℃，在高温条件下，与铁原子反应，不适于加工钢铁材料。金刚石粉制成的砂轮磨削硬质合金。CFe3Fe)C(3金刚石4323OFe(CO2CFe石墨）＋黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具第三节金属切削过程及其物理现象一、切削过程及切屑种类1.切屑形成过程切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。即在前刀面的推挤、摩擦作用下，使变形金属内部发生剪切滑移的过程。黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具切屑根部的金相显微照片绘出金属变形过程中的滑移线和流线示意图M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角黑龙江大学机电工程学院第二变形区（纤维化）第一变形区（剪切滑移）金属切削原理与刀具第三变形区（纤维化与加工硬化）金属切削过程中的滑移线和流线黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具2.切屑的类型及其控制切屑类型a带状切屑b挤裂(节状)切屑c单元（粒状）切屑d崩碎切屑黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具（1）带状切屑•特点：内表面比较光滑，其他自由变形的表面显得粗糙。•加工塑性金属材料，当切削深度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具（2）挤裂切屑•特点：表面上有裂纹，甚至断裂成一个个屑，但切屑内部还是互相连接着。•这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。(3)单元切屑•特点：形状类似，互相分离的屑块，切削力的波动较大。黑龙江大学机电工程学院金属切削原理与刀具(4)崩碎切屑•特点：